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　　摘要：本文介绍一种构建电子电池仿真器的方法。文中详细分析了为什么需要电池仿真器，如何选择实用电路，并对设计电子电池仿真器常见问题分析，最终得出电池仿真器可以精确调节电压的结论。

　　关键词：电池仿真器;紧凑型电池仿真器;锂电池

　　一、为什么需要电池仿真器?

　　很多新产品都采用锂电池，因为这类电池有性能高、重量轻的特点。实际上，很多更加复杂的应用涉及到连接多节电池，以实现想要的电池组工作电压，这个电压常常为数百伏。如果让锂电池过度充电和过度放电，就会容易受到不利影响，所以这类串联电池组都会采用监视系统，记录每节电池的电位以避免此类问题。开发这些多节电池的电池组监视系统(BMS)需要采用一种便利方法的电路仿真法，以测试控制和保护算法的有效性。理想情况下，激励源将是实际的电池，不过随后通过改变电荷状态(SoC)以触发BMS中的不同功能动作则变成了一件冗长繁琐的事情。还有一种办法是频繁使用多个实验室电源，但这是一种非常昂贵的解决方案。因此对于简单的功能测试而言，常常仅通过偏置电阻串提供基本的电池仿真。电阻串受到明显限制，因为电阻串呈现相当大的源阻抗，因此给系统引入了不代表真实电池的人为分量。即使采用专有电源，如果接受测试的系统包括主动电池平衡，那么电源也必须顾及虚假充电电流f即电流反向)问题。最重要的是，人们希望有办法获得多种多样的紧凑型电池仿真器，以简便地在实验室测试BMS功能。拥有电池仿真器的另一个有用方面是此类物品很容易通过空运的方式运送到远离实验室的地方进行操作，反之则常常不得不利用水运来装运实际的锂离子电池组。

　　二、选择实用电路

　　我们需要的主要特点是低源阻抗和两象限工作(正电压但双向电流，所以我们可以仿真放电和充电方向)。我们还需要隔离各种电池仿真器，以便他们可以串联连接，就像真实的电池组一样。后一个要求表明，需要使用变压器，以及为了实现紧凑性而需要使用开关型架构。有一种开关拓扑既提供隔离，又提供两象限工作，这种拓扑就是同步反激式转换器。

　　在一个被用作升压器的简单反激式转换器中，一个低压侧开关以一个设定了输出部分之输出电流的占空比来运作，如图1所示。整流器二极管以这种理想化的形式在开关关闭期间导通，并允许输出电流在磁能转移至愉出电容器的过程中以单向的方式于传感器中流动。在调节时，开关经受一个高于12V电源的反激式峰值电压dV，在多数设计中dV与电源电压近似。

　　为了隔离转换器，本文用一个变压器取代电感器(如图2所示)，以使输出出现在变压器副端。尽管输出现在已经隔离了，但是磁性能量传送过程是与使用电感器时完全相同。选择变压器匝数比N，以用想要的特定输入和输出电压优化运行。在这里，开关再一次经受高于12V电源电压的反激峰值电压dV。但是，这个电路无法防止输出电压被一个外部电流强制到高于设定点(这个电路仅支持一个工作象限)。

　　一种同步版本也已开发出来，这时用另一个开关取代整流器，如图3所示。该电路既由于开关消耗的功率低于正向导通的二极管而提高了效率，又由于现在电路是对称而产生了第二个工作象限。这个电路在副端可以接受反向电流，这导致主端绕组反击电流回到主电源中，因此输出将保持在设定点，即使存在强制反向输出电流。我们必需认识到这样的可能性，即：如果仿真电池被重度地“充电”(电流流入正输出电压)，则用于电路的电源其本身有可能经受一个反向电流。既然输出全部隔离了，那么电源供电可以在任何数量的电路之间均分，以便单个大容量电源可以便利地为整个阵列供电。这样的阵列连接还纳入了寄生电路损耗，因此电源在正常使用方式时不可能经受反向电流(即是只要净“充电”量<总的工作损耗)。

　　三、考察细节

　　一种非常适合实现这种转换器功能的IC是凌力尔特的LT3837。这个电路的典型应用是从较高电压的大容量电源轨提供类似电池的、电流为几安培的低电压。对于电池仿真器功能而言，唯一的差别是本文设计希望获得一个可调的输出电压。由于总体解决方案的高功率整体电源可提供12V电压，因此本文设计可通过优化设计将此用作一个电源。考虑到锂离子电池化学组成的电压范围从略低于2V到稍高于4V，可以建立一个对应的微调范围，从而提供通用的用法以及仿真众多SoC状态的能力。

　　图4显示了一个阵列的一部分，该图提供了所有细节信息。为了提供电压调节，反馈网络支持一个运放控制信号，以使ov代表大约4.2V输出，而3V则控制约1.9V输出。为了实现良好的用户控制，通过配置使每个电池电路具备了一种“游标”微调能力，然后利用粗调和细调对一个阵列组进行群控制(主控器调节信号MCTL可连接至几个转换器部分)。对于所示的数值，输出电压群粗调精度约为±0.9V，群细调精度约为±0.15V，而电池“游标”微调精度则为±O.lV左右，因此总体而言实现了期望的最大范围f为了提供微调，牺牲了至满限值的电池交叉控制能力)。所有的控制电路均由从12V整体电源获得的3.3V来供电。对于计算机化的电压控制，可利用16通道LTC2668 等DAC来取代运放信号。Qlol和Tl00是主要的反激式元件，Q102是同步整流器。为了实现Q102的快速和隔离式控制，栅极由Tl01通过电流缓冲器Q103和Q104来驱动。反馈利用Tl00中的一个辅助绕组来调节。输出端包括一个lOmQ串联电阻器，以便通过至电压表的开尔文连接(通过使用信号I+和I-)进行电流检测测量。该电路的总输出阻抗大约为25mΩ，提供坚固的±6A电流能力。静态损耗约为每节电池1W，因此对于一个由24节电池组成的阵列，12V电源反向的可能性是最小的，而且功率大小得到了很好的调节，适用于TDK-LambdaSWS300-12等现成有售的12V/300W电源。

　　四、结论

　　构建电池仿真器是一种提供高密度和易于运输之BMS开发工具的实用性解决方案。一个24V电池仿真器可连同一个12V整体电源包装在一个2RU架装式机箱中，并提供可精确调节的电压(在1.9V至4.2V的范围内)和±6A电流能力。

　　【摘要】编制个性化电子教案是进一步实现教育信息化的必由之路。制作高质量的教学素材是构建高水平教学素材库的重点。

　　【关键词】cai个性化电子教案教学素材库

　　一cai所涉及的知识领域

　　cai研究涉及到认知科学、教育学、控制论、计算机科学等众多学科的知识领域，分为理论、技术、应用三个层次。cai的理论研究经历了大致五个阶段：50年代主流的是从行为主义学习理论出发的程序教学，它力求研究出一种程序式计算机教学系统，以问答方式将知识分解组成一个系统的问题链，是一种机器求解的自动化教学法模式；60年代人们引入系统论和控制论的方法，研究了具有自主控制能力的教学系统，使学生具有了学习过程的控制权；70年代，认知心理学、人工智能有了较大的发展，人们研究了以认知科学为基础的智能教学系统，构建学生模型和教学策略模型，使系统能支持灵活主动的自适应学习；80年代利用多媒体技术研究成果，研究能同时开发人左右脑功能的多媒体教学系统，为学习者提供更符合认知心理规律的学习环境；90年代计算机网络及虚拟现实技术进入教育领域，建构主义的教学理论得到提倡。建构主义认为知识的获得，是学习者通过环境对概念重组、构造得到的，不是单纯的接受。教师更多的是提供指导而不是讲授，学校主要是为学习者提供一个良好的学习环境，为学习者提供无时空限制的自由学习空间。

　　cai的应用研究主要在应用的模式、方法和评价方面。评价教学的效果如何，与传统教学手段相比有何利蔽，其短期、长期效果如何，效益分析等方面。这对推广应用cai都有重要意义。依据教学目标，遵照某种教学软件，只有在教学实践中来检验其效果。因此对计算机辅助教学应用研究应给予足够的重视。教学实验探讨计算机辅助教育将具有怎样的性质和结构问题。

　　二开放的个性化电子教案的设计与制作

　　教育信息化环境下的教学设计、教育手段、教育方法以及教育资源的建设，是近年来教育研究的热点。针对第一代cai课件的固定性、特定性、封闭性、局限性，提出新一代cai必须具备如下特性：开放性、灵活性、丰富性、生动性、集成性、针对性、辅助性、重组性、交流性、持续性。

　　要达到上述要求，所编制的cai课件必须是开放的、个性化的。其原因之一：对同一门课乃至同一章节，各个教师讲课的重点、知识点虽然应该一致，但其切入点、材料的组织运用、授课风格则完全可以是不一样的。因此，即使讲授同一教学内容，不同的教师也需要各自不同的、个性化的电子教案。

　　其原因之二：即便同一教师讲授同一章节时，针对不同的教学环境（如不同班级、不同的年级、不同的教学次序），其教学内容、教学组织也同样有差异，需要根据具体情况设计、实施教学。例如，有的班级（学生）需要新的例证，有的班级需要增加内容等。不同的教学环境也要求个性化的电子教案。

　　个性化的电子教案决不是“千篇一律”“千人一面”的，它可以各具特色。在表现形式上，课件可以是严肃正规的，讲究构图、造型、色彩，也可以是轻松活泼的，甚至带点“动漫”风格；在选材内容上，同一门课的课件，在统一的大纲的要求下，鼓励发挥教师个人教学特长，体现自己的教育思想与教学方法，融入自己的教学理念、教学经验、教学策略。

　　电子教案个性化的前提是它的开放性或柔性。课件至少对教师本人是开放的。课件是柔性的，应便于修改、编辑、重组。教师结合自己的教学经验和不同的教学情景，设计、制作、便用自己特色的、个性化的电子教案。所制作的课件可以是示教型的，作为教师授课的计算机辅助教学工具，也可以是学习型的，供学生课后复习使用。

　　三开发新一代cai的基础在于构建教学素材库

　　根据我国国情和教育资源现状，我们认为，目前能够实现上述目标又较为实际的办法是开发教学素材库（而不是成品课件）。其主要功能是作为教师备课系统。教学素材库是教师根据教学需要可以自己组合运用的教学信息库、教学策略库与工作平台，具有素材丰富，能够科学地、快速地分类与检索的特点。教师运用教学素材的教学单元，为教育服务。教学素材库必须是开放式的，其中的素材可供教师自行调用、取舍、编辑、组合，制作完成具有一定特色的、个性化的电子教案。

　　四建设教学素材库存的重点在于素材的制作

　　素材是教学信息的最小单元，其基本特征是它的单一性。教学素材只表现一个知识点。惟有如此才能实现它的针对性、灵活性、可组装性。

　　教学素材制作的难点往往不单是三维动画的模拟演示，而是如何设计素材以准确生动表现教学内容，从而把一些抽象的概念转化为活泼的画面，看不见摸不着的内容变为直观，复杂的道理变为浅显易懂，逻辑思维变为形象思维。

　　教学素材的设计制作应注意以下几点：

　　1.用三维仿真表现复杂的形体与运动。一般的做法是先将形体复杂的物体用cad做成三维模型，再导入到3dmax中做成立体动画，最后转化为avi文件播放。

　　2.将知识重点或难点分解成若干连续变化图形表述。深入研究知识点或难点，找到最合适的表现方法，将其分解成若干环节，每一环节用一幅画面表达，相邻环节的画面要求关系简单、清晰，整个过程转化为一系列画面的连续变化展现。这样，复杂的过程转化为一系列简单环节，连续分解成间断，抽象变为现实，学生就很容易理解和掌握。

　　3.充分利用计算机的特殊图形功能。利用计算机特殊的图形处理能力，可以将微观过程进行宏观模拟，对瞬变过程定格处理，更于在图形放大后深入观察细节部分或易疏忽的地方。

　　五结论

　　编制开放的个性化电子教案是第二代cai的发展方向。作为新一代cai，它既保持cai有利于解决教学时数压缩、教学信息量扩大的矛盾的长处，以克服了第一代cai课件形成的“套路式教学”的不足。能充分发挥教师个人的教学特长，提高教学效率，缓解教学资源紧缺的矛盾，使课堂教学更为形象、生动，有利于提高教学质量。

　　建设开放式教学素材库是开发新一代cai的基础。教学素材库由素材、组件、课件组成。它的功能主要是作为教师备课系统。其中教学资源可供教师自行调用、取舍、编辑、组合，融入教师个人的教学经验，并进一步结合具体的教学要求，制作个性化电子教案及课件。

　　制作高质量的教学素材是构建高水平教学素材库的重点。教学素材制作的难点，往往不是高难的信息技术，而是如何构思素材的形式、编排，以准确生动地表现教学内容。